改性钠羧甲基纤维素加固粉砂土水稳性及稳定机理分析

裴向军黄润秋

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

1 研究背景

地表植被受到人为破坏，表土绿植覆盖低等造成表土团聚结构破坏，土质变得松散，而风蚀和水蚀会加剧土壤侵蚀[1]，使得植被和生态系统退化严重，土质沙化，生态环境愈加脆弱[2]。研究表明：目前采用化学方法加固松散沙粒，使其处理后黏结在一起形成团聚体，能明显改善沙粒特性，如提高沙粒的临界启动风速[3]、增强土体的水稳性和抗冲刷性[4]；环保型的土壤加固剂还能促进植被生长[5]，是提高土体稳定性、强度和抗侵蚀能力的重要工程措施之一[6]。当化学固化剂用于边坡土壤加固和生态恢复时，就必须考虑加固土的水稳性、力学性能和水力学性能。由于化学固化剂种类的差异，与土壤混合可能会造成土壤根本化学成分和结构变化，因此，选择合适的化学固化剂研究其加固性能和加固机理具有重要的理论意义和实际价值。目前越来越多的化学加固材料用于土壤加固[7-10]，而改性钠羧甲基纤维素(简称M-CMC)已经用于土质边坡现场加固工程实践中，如我国西北地区沙土边坡[5]和四川地区碎石土边坡等加固，M-CMC是其中综合效果较好的加固剂材料。但对该化学加固剂的研究多为关于加固土的物理力学性能和表观的侵蚀破坏变形特征，没有从微观成分结构变化和宏观物理力学性质相结合的角度分析其加固土的作用机制。

本文针对本课题组自主研发的M-CMC胶结固化粉砂土形成砂土团聚体，利用静水崩解、X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)成分分析和扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)试验探究M-CMC加固的内在机制。同时利用渗透性试验和非饱和土水特征曲线研究M-CMC加固对粉砂土水力学性能的改变，利用直剪试验研究M-CMC加固前后的力学性能改变。提出M-CMC加固土模型。

2 材料和试验方法

2.1 加固材料

M-CMC是一种有机高分子化学物混合液，无色无味，pH值为7.5～8.0，相对密度为1.01，分子链上存在大量羟基(-OH)和羧基(-COOH)官能团，使其亲水性强，易溶于水，易分散于水中；此外分子主链(-C-C-)上极性官能团的存在，使其具有较好的吸附作用和絮凝作用。

2.2 试样制备

土料取自新疆阿勒泰，颗分曲线如图1所示，其粉黏粒含量<30%，以砂粒为主。试样制备前需进行基本物理指标测试，以控制各组试样的均一性。由表1可以看出，所选砂土相对密度为2.68。

图1 土壤颗粒级配曲线

表1 土壤材料基本物理指标

首先将现场取回的土样风干碾碎，过2 mm筛，以筛除砾石、根系及其它杂质。而后将掺量为0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%的M-CMC溶液与土按1∶4的质量比掺拌，混合后的土料密封静置24 h，后以密度1.55 g/cm3(按天然土最大压实度80%设计)按相关试验规范[11]规定的方法填充到标准模具中，采用千斤顶静压法一次静压成型，削平试样两端并脱模。水稳性和渗透性测试试样直径为61.9 mm，高为40 mm；直剪和土水特征曲线测试试样直径为61.9 mm，高为20 mm。

2.3 测试方法

水稳性试验是将成型的试样室内自然风干后分别浸入盛相同水的透明烧杯中，水面淹没过试样顶部，记录不同阶段试样崩解形态和完全崩解所需时间。完全崩解后采用湿筛法测试崩解产物粒径分布和含量。

渗透试验和直剪试验成型试样自然风干后按照《土工试验规程》(SL 237—1999)[12]进行。

土水特征曲线试验采用地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的压力板仪进行。将成型试样自然风干后抽真空饱和，将饱和试样置于密封容器中，下置陶土板(透水不透气)，分级加压，每级压力下样品排水恒定后加下一级，测算每一级压力下试样排水量。直至最后一级压力，稳定后取出试样，测定样品含水量和干质量，以此类推，得到土壤特征曲线。

XRD试验采用理学DMAX-3C衍射仪进行，取加固前后成型试样自然风干样品50 g，过0.15 mm筛后研磨成0.045 mm粒度的粉末，然后把样品粉末制成有平整平面试片进行观测。

加固土SEM微观结构采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的扫描电镜设备进行观测。将成型试样掰成小块，用吸球把表面的扰动颗粒除去，获得新鲜完整且保持原状结构的天然断口，自然风干后研磨成10 mm×10 mm×3 mm的方块，在试样表面喷镀导电金属薄膜后进行镜下观察。

2.4 数据分析方法

本文提出M-CMC加固土完全崩解系数CR计算式，即

CR=[100-(a1×0+a2×10+a3×20+…+

a10×90+a11×100)/V0]×100% 。

(1)

试中：V0表示试样体积,为120 cm3;ai(i=1,2,…,11)表示最终崩解产物粒径在(0, 1]，(1, 2]，(2, 5]，(5, 10]，(10, 20]，(20, 30]，(30, 40]，(40,50]，(50,60]，(60,61]，(61，62]mm分别所占的体积；a11表示试样未崩解即崩解产物整个试样体积,为120 cm3。如果试样崩解产物粒径均在0 ～1 mm，表示试样完全崩解，那么a1为120 cm3，则ai= 0 (i=2,3,…,11)，此时试样崩解系数为100%(即[100-(120×0)/120]×100%)；当崩解产物粒径在0～1 mm区间所占体积为50%，其他产物粒径在1～2 mm，试样崩解系数为95%(即[100-(60×0+60×10)/120]×100%)。如果试样没有崩解，则崩解系数为0(即[100-(0+120×100)/120]×100%)。崩解产物的粒径采用激光粒度分析仪(主要针对崩解较彻底、颗粒数量较多的试样)和湿筛法(主要针对崩解产物数量较少、颗粒粒径较大的试样)进行测试。

3 湿化崩解结果及分析

3.1 湿化崩解过程分析

表2为试样水稳崩解过程。从表2可知，天然松散粉砂土重塑试样遇水1 min完全崩解，而M-CMC加固土完全崩解破坏所需时间延长，且随着掺量的逐渐增加，完全崩解所需时间也相应增加。此外，由图2可知，天然土崩解产物呈散沙状，且由于粉黏粒在水中分散，杯中水变得浑浊(图2(a))；而M-CMC加固土水中细小悬浮颗粒锐减，崩解产物从“碎粒状”(图2(b))依次向“碎块状”(图2(c))、“块状”(图2(d))发展，直至不崩解(图2(e)—图2(f))。

表2 试样水稳崩解过程

注：“□”表示吸水、冒气泡；“△”表示开裂、掉块；“◇”表示水变浑；“○”表示试样完全解体；“―”表示没有变化。

图2 不同掺量M-CMC加固土崩解性对比

图3 M-CMC加固土崩解系数随掺量变化关系

3.2 崩解系数

加固试样最终崩解产物线性平均直径随材料浓度增加而增大，计算得出M-CMC掺量为0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%时加固土完全崩解系数分别为100%，90%，87.5%，81.3%，51.5%，0%，0%，试样崩解能力随M-CMC掺量增加而降低，如图3所示。粉砂土水稳性明显提高。

4 抗崩解机理分析

4.1 加固土XRD化学成分分析

由上述试验现象可知，M-CMC具有良好的固沙效果。加固前后的XRD成分分析结果如图4所示。该砂土和M-CMC加固土衍射曲线基本吻合，加固土的衍射曲线没有新峰产生，说明没有新物相出现，主要成分为石英、长石、方解石和伊利石。由此说明，M-CMC材料与土颗粒间没有发生化学反应生成新的化合物。

图4 天然土和加固土试样XRD分析

图5 M-CMC材料加固前后试样微观结构

从土壤和M-CMC材料化学结构上分析，砂粒组成成分为SiO2，是一种表面粗糙的极性分子，由于电子云结构与水分子相似，所以容易产生耦合，具有亲水性，使得松散沙子在一定含水率下也能成型。但随着含水率增加，砂粒与水分子间耦合作用减弱直至消失，颗粒骨架坍塌分散，这是毛细黏聚力的生成与消失所造成的现象。M-CMC土壤加固剂组分CMC含有大量亲水基团羟基(-OH)和羧基(-COOH)，CMC水溶液附着于颗粒表面形成保护膜，减缓了水与颗粒的直接接触，水溶液黏结颗粒能增强土壤水稳定性；而另一组分聚丙烯酰胺PAM为长链分子，侧链上有大量极性活性基团酰胺基(-CONH2)，通过范德华力、静电引力及氢键(具体作用方式与颗粒自身特性有关)等吸附在土颗粒表面，可以在颗粒间形成桥链。以上是砂土水稳性增强的化学基础。

4.2 加固土SEM微观结构分析

从粉砂土SEM图像结果可以看到，天然粉砂土缺少粒间胶结物，颗粒边界清晰，棱角分明(图5(a))，颗粒胶结结构以粒间架空结构为主。而M-CMC加固土颗粒表面似有膜结构(材料包裹)(图5(b))，使得颗粒边界模糊。此外，土颗粒间明显表现出团聚胶结，使得单一的土颗粒形成大的团聚粒(图5(b))，然后团聚粒与团聚粒、大颗粒与大颗粒或团聚粒与大颗粒间存在架桥连接(图5(c))，使得土壤团聚粒发展成结构更稳定、粒径更大的团聚体。与M-CMC化学结构分析的结果一致。因此，可将M-CMC材料与土壤间作用关系归纳为3种：颗粒包裹黏结作用、颗粒间团聚胶结作用和粒间架桥连接作用。其中，高分子膜结构可能会导致水的入渗速率降低；又因高分子材料具有较大的“吸水膨胀性”[13]，推测水进入孔隙中会先与颗粒表层的材料接触，减缓因孔隙水与土体直接接触导致土体基质吸力快速降低，最后高分子长链胶结作用可能会提高土体的胶结强度。三者综合作用使得粉砂土的湿化崩解性得到改善。以下将从加固土的水力学和土力学性质角度进行进一步分析。

4.3 加固土渗透性分析

从加固土的渗透系数变化曲线(图6)可看出，M-CMC加固土渗透系数显著降低，且随着M-CMC掺量增加，土体渗透系数不断降低。

图6 不同掺量 M-CMC加固土渗透系数

将浸水24 h的M-CMC加固土样(M-CMC掺量1.1%)取出，纵向切开可以看出(图7)，试样内部因含水率差异呈现深浅分区。外圈含水率高颜色深，内圈含水率低颜色浅，边界分明。由此也说明M-CMC能极大减缓水分的渗入。水分入渗作用减弱，相应土体吸力会增加，孔隙水压力降低，能提高土体水稳定性。

图7 M-CMC掺量为1.1%的加固土水分渗入剖面

4.4 加固土持水性分析

从加固土土水特征曲线(图8)可知，M-CMC加固试样脱湿过程的土-水特征曲线(SWCC)变化趋势与非加固粉砂土相似，但加固土整体向右偏移，即趋于向细粒土方向变化。M-CMC加固土的饱和含水量(饱和度)约为28.5%，相比天然粉砂土饱和含水率(21.5%)有明显增加，说明M-CMC能显著提高土体的吸水量。

图8 加固土与天然土土-水特征曲线

根据McQueen he Miller(1974)经验数据提出了关于描述土水特征曲线的常见形状和特征的概念性模型，根据该模型提出的3条位于半对数坐标系中的理想直线段划分标准，将图8中M-CMC加固和未加固试样脱湿过程的SWCC划分为毛细作用区(①)、水膜吸附区(②)和牢固吸附区(③)3个区域。

饱和状态下，加固土和天然土基质吸力为0，初始脱水对应于毛细作用区，较小的含水率变化就会使得基质吸力快速增加，是土体由饱和状态向非饱和状态转变的阶段。如图8所示，两者变化趋势和速率完全一致，曲线平行，脱水量相同。因该阶段主要为孔隙中的自由水变化，且变化量相近，由此表明M-CMC加固土吸水量的增加与材料自身的亲水性有关。

进入水膜吸附区，当基质吸力大于进气值时，较小吸力变化导致土样含水量锐减，含水量和吸力间呈等比例变化，但M-CMC加固土失水速率小于天然土，说明M-CMC加固土持水性增强。其次，M-CMC加固土从毛细作用区向水膜吸附区过渡时的含水量大于天然土，但从水膜吸附区向牢固吸附区过渡时的含水量与天然土相近。进一步表明：M-CMC加固土在一定的吸力条件下存在不能吸持水分而失水、大于等效孔径的孔隙减少；M-CMC加固土小于等效孔径而充满水的土体孔隙增加[14-15]。这也说明土体水膜吸附作用的增强是提高土体吸水性和持水性的主要原因，而M-CMC的表层包裹作用是土体水膜吸附作用的主要因素。

随着含水量进一步降低，基质吸力加速增加。整个脱水过程中，相同土体含水量时M-CMC加固土土体基质吸力均大于天然土，土体非饱和强度增大。

饱和含水率与土壤孔隙空间大小和孔隙结构的稳定性密切相关[16]，特定吸力条件下的土壤含水率由土壤孔隙结构和土壤基质吸力共同决定，而土壤吸力与土壤水膜吸附作用和毛细作用强弱有关。M-CMC通过颗粒间团聚胶结、架桥连接和颗粒表面包裹胶结3种作用方式使得松散土颗粒变为稳定的团聚粒，土壤孔隙结构稳定性增强，孔隙通道稳定；使得水分储存有效空间增加，饱和含水率增加；土体持水性增强，基质吸力增加，促使抗崩解性显著增强。

4.5 加固土抗剪强度分析

从加固土抗剪强度变化曲线(图9)可以看出，随着M-CMC掺量的增加，M-CMC加固土内摩擦角和黏聚力均显著增大。内摩擦角与土颗粒粒径关系密切[17]，黏聚力与颗粒间胶结强度关系密切[18]，说明M-CMC能促进土颗粒有效粒径增加，胶结强度增强，试样破坏所需的外界作用力增强，从而减缓土样的崩解破坏。

4.6 加固土机理模型

加固土渗透性降低、 持水性增强特性表明了M-CMC掺量的吸水膨胀性使得水的入渗受阻， 虽然随着M-CMC掺量的增加， 加固土吸水性增强， 团聚体内浸水膨胀作用增强， 但当M-CMC掺量较高(≥0.9%)时， 加固土黏聚力显著增加， 结构稳定性增强， 膨胀力不足于破坏膜结构强度， 而团聚体仍然保持稳定， 从而提高粉砂土抗崩解性能。

综上所述，土壤结构的改善能优化土壤性能，进而提高土壤稳定性，参照Volikov等[19]提出的土壤团聚胶结模型，提出了M-CMC加固土的结构模型，如图10所示。高分子活性基因与颗粒间的吸附作用主要使得砂土颗粒间镶嵌点接触向链式连接发展(图10(b))。M-CMC与颗粒间黏结包裹作用使得砂土颗粒向多点至面式覆盖发展(图10(b))，而高分子长链固定在不同颗粒表面上的吸附架桥和M-CMC的黏结包裹相结合使得分散颗粒形成一个团聚粒(图10(b))。当M-CMC掺量料掺量不断增加，M-CMC掺量在团聚粒之间发生作用，土体由分散的颗粒变为团聚粒，团聚粒胶结形成团聚体(图10(c))。

图10 M-CMC加固土团聚胶结模型

5 结 论

(1)改性钠羧甲基纤维素M-CMC能胶结土颗粒，明显改善粉砂土水稳性，提高粉砂土抗崩解性能。

(2)M-CMC加固粉砂土不会改变土壤的化学组分，没有新物质生成,其主要原因是M-CMC与土体表面分子间作用力相关。

(3)M-CMC加固粉砂土的SEM揭示出M-CMC与颗粒间有3种作用方式：颗粒包裹黏结作用、颗粒间团聚胶结作用和粒间架桥连接作用。

(4)M-CMC加固粉砂土渗透性能显著降低，有助于减少外界水分的渗入，使得土体基质吸力增加，孔隙水压力降低，土体水稳性提高。

(5)M-CMC加固土基质吸力增加，使得土体持水性能增强，土体水稳性提高。

(6)M-CMC加固粉砂土内摩擦角和黏聚力显著提高，使得土体破坏所需的外界作用力增大，水稳性增强。

(7)M-CMC包裹、黏接、吸附架桥使得单个土颗粒先聚集成团粒，后团粒胶结形成团聚体，使得胶结性极差的粉砂土完全固化。